低速二冲程柴油机复合动力涡轮匹配研究

曲东旭 王银燕

摘要：对某型带有排气旁通的低速二冲程柴油机，采用柴油机复合动力涡轮技术，回收柴油机排气能量。基于GT-POWER软件对某低速二冲程柴油机进行仿真计算，以同时考虑燃油消耗率、柴油机功率、动力涡轮功率、系统总功率、系统热效率、压气机喘振裕度的方式，寻找匹配点。结果表明：当动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm时，动力涡轮复合系统可在50%到100%工况回收排气能量，额定工况下，旁通14.00%的废气，动力涡轮回收的功率为427.58kW，占原机的6.68%，动力涡轮回收比最大，复合系统的功率为6698.42kW，比原机提升了4.62%。

Abstract： For a certain type of low-speed two-stroke diesel engine with exhaust bypass， the diesel engine compound power turbine technology is used to recover exhaust energy of the diesel engine. Based on GT-POWER software， a low-speed two-stroke diesel engine is simulated and estimated to be found matching points by simultaneously considering the fuel consumption rate， diesel engine power， power turbine power， total system power， system thermal efficiency， and compressor surge margin. The results show that when the equivalent diameter of the power turbine nozzle ring is 50mm. The power turbine compound system can recover exhaust energy under 50% to 100% in working conditions. Under rated working conditions， 14.00% of the exhaust gas is bypassed， and the power recovered by the power turbine is 427.58kW， accounting for 6.68% of the original machine， the power turbine recovery ratio is the largest， the power of the composite system is 6698.42kW， which is 4.62% higher than the original machine.

關键词：低速二冲程柴油机;动力涡轮;排气能量回收;匹配

Key words： low-speed two-stroke diesel engine;power turbine;exhaust energy recovery;matching

中图分类号：U664.121                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0005-05

0  引言

目前，大型低速二冲程柴油机的热效率接近50%[1]，燃料燃烧产生的能量有大量被废气所带走，如果合理利用这部分排气能量，可以满足制冷、制热、制淡的要求，还可以发出大量的电，以供船舶设备的使用。余热回收可实现节能减排，满足国际海事组织的新要求，打造绿色船舶[2]。

大型低速柴油机排气量大、温度较高、热量多，为了保证涡轮增压器不超速，需要将多余的排气旁通，因此带有排气旁通的柴油机采用动力涡轮复合技术，能够有效地回收排气余热。由于柴油机、动力涡轮和涡轮增压器三者之间存在紧密的气动联系，动力涡轮的加入会使涡轮增压器的可用排气能量减少，会对整机的运行造成影响，因此需要进行柴油机与动力涡轮的匹配工作[3]。

本文基于GT-POWER软件搭建某低速二冲柴油机的仿真模型，在此基础上搭建动力涡轮并联涡轮增压器的仿真模型，分析动力涡轮喷嘴环当量直径对整机性能的影响，考虑燃油消耗率（BSFC）、柴油机功率、动力涡轮功率、系统总功率、系统热效率、压气机喘振裕度，不改变原机的涡轮增压器，对加入的动力涡轮进行优化匹配。

1  柴油机复合动力涡轮系统仿真模型

1.1 柴油机仿真模型

研究对象为某低速二冲程柴油机，柴油机的基本技术参数如表1所示。

低速二冲程柴油机包括进排气系统、柴油机本体、燃油喷射系统、涡轮增压系统等[4]。燃烧模型采用“EngCylCombDIPulse”。应用GT-POWER软件进行建模，柴油机整机模型如图1所示。

完成该发动机的模块化建模之后，按照试验数据设置环境温度、压力、发动机转速等参数，然后对螺旋桨推进特性100%工况、85%工况、75%工况、50%工况进行仿真计算。将计算结果与试验数据进行对比校验，误差均在5%以内，表明该模型可用于柴油机复合动力涡轮的仿真计算。

1.2 复合系统模型搭建

柴油机复合动力涡轮有两种方式：并联和串联[5]，本文采用动力涡轮并联涡轮增压器的方式。在GT-POWER模型库中，动力涡轮模块选用简单涡轮模型“Turbine Simple”，采用简单涡轮模型只注重涡轮效率和喷嘴环当量直径的取值。对动力涡轮效率、喷嘴环当量直径进行可控变参量设置，其它参数设置为模型默认值。柴油机复合动力涡轮系统的示意图如图2所示，柴油机复合动力涡轮的仿真模型如图3所示。

2  动力涡轮对系统性能的影响

考虑到低工况排气能量小，无法为动力涡轮提供足够的动力，本文对50%工况、75%工况、85%工况、100%工况进行仿真计算分析，研究动力涡轮喷嘴环当量直径对柴油机复合动力涡轮系统性能的影响。

研究过程中原机的涡轮增压系统不变，设定动力涡轮的效率为0.79，改变动力涡轮喷嘴环当量直径，对燃油消耗率、柴油机功率、动力涡轮功率、系统总功率、系统热效率、压气机喘振裕度进行分析比较。为保证良好的推进特性和经济型，柴油机输出功率保持在原机的97%以上，燃油消耗率在原机的103%以下。

2.1 动力涡轮喷嘴环当量直径对动力涡轮的影响

选取动力涡轮喷嘴环当量直径变化范围为10-100mm，变化步长为10mm，进行仿真计算，得到的动力涡轮输出功率如圖4所示。

从图4中可以看出随着动力涡轮喷嘴环当量直径的增大，动力涡轮输出功率先增加后减小。这是因为随着动力涡轮喷嘴环当量直径的增大，流过动力涡轮的流量增加（图5所示），这就导致了增压涡轮得到的废气能量减小，气缸内进气压力变小，空燃比下降，燃烧不充分，排气量减少，排气温度升高（图6所示）。在动力涡轮喷嘴环当量直径在一定范围内增大时，动力涡轮的膨胀比降低（图7所示），但此时流量和温度对动力涡轮输出功率的影响占优，动力涡轮输出功率升高。动力涡轮喷嘴环当量直径继续增加，排气压力继续降低，导致了动力涡轮的膨胀比对动力涡轮输出功率的影响占优，随着动力涡轮的膨胀比降低，动力涡轮输出功率降低。存在最优的动力涡轮喷嘴环当量直径，使动力涡轮膨胀比的影响与流量、温度相持平，动力涡轮输出功率达到最大。50%工况时最优的动力涡轮喷嘴环当量直径为60mm，其余三个工况都为70mm。相同的动力涡轮喷嘴环当量直径下，工况越高，动力涡轮输出功率越大，这是因为高工况下排气量较低工况排气量多，排气压力大，排气旁通以后，动力涡轮可得到更大的能量。

2.2 动力涡轮涡轮喷嘴环当量直径对柴油机性能的影响

图8和图9分别为柴油机输出功率和燃油消耗率。

由图8和图9可知，随着动力涡轮喷嘴环当量直径的增加，柴油机输出功率下降，燃油消耗率升高。这是因为，旁通的废气量增多，增压涡轮膨胀比减少（图10所示），导致柴油机气缸内过量空气系数变小，燃烧不充分，排气温度升高，后燃加剧，功率降低，燃油消耗率急剧升高。高工况排气量大，旁通排气量对高工况的性能影响小于低工况。85%工况的燃油消耗率最低，属于柴油机的经济工况。

2.3 动力涡轮喷嘴环当量直径对系统性能的影响

本节把系统总功率定义为柴油机功率与动力涡轮功率之和，系统热效率定义为系统总输出功率与系统所消耗的燃油能量之比。

图11表明，随着动力涡轮喷嘴环当量直径的增大系统总功率先增大后减小，各个工况下系统总功率存在最大值。系统总功率达到最大值之前，动力涡轮的输出功率不仅弥补了柴油机的功率损失，还使系统总功率增大。系统总功率达到最大值后，随着动力涡轮喷嘴环当量直径的继续增大，燃烧恶化，柴油机功率继续变小，动力涡轮功率不足以弥补柴油机功率损失，系统总功率下降。从图12可以看出，系统热效率和系统总功率呈相同的变化趋势，先升高后降低，85%工况的系统热效率最高。当动力涡轮喷嘴环当量直径在[40mm，60mm]区间内，100%工况、85%工况下系统总功率和系统热效率存在最大值，当动力涡轮喷嘴环当量直径在[30mm，50mm]区间内，75%工况、50%工况下系统总功率和系统热效率存在最大值，均大于原机。通过计算可知，原机的最小喘振裕度为14.35%（100%工况），由图13可知各个工况下的喘振裕度随着动力涡轮喷嘴环当量直径的增大而增大，当动力涡轮喷嘴环当量直径为30mm时，100%工况下的喘振裕度为16.8%，因此在动力涡轮喷嘴环当量直径的寻优区间内压气机喘振裕度均大于原机最小值。

2.4 动力涡轮喷嘴环当量直径的选择与分析

改变各个工况下动力涡轮喷嘴环当量直径进行寻优仿真计算：100%工况和85%工况选取动力涡轮喷嘴环当量直径为40-60mm，步长为1mm;75%工况和50%工况选取动力涡轮喷嘴环当量直径为40-60mm，步长为1mm。

各个工况下最佳匹配点如表2所示。

根据图13可知，在各个工况点的最佳动力涡轮喷嘴环当量直径下，压气机喘振裕度都大于原机最小值。由图12可知，最佳匹配点下85%工况的系统热效率最高，75%工况次之，50%工况最低。由于柴油机常运行于75-100%之间的经济工况，高工况下动力涡轮回收的能量较高，85%工况的燃油消耗率和热效率最高，因此在系统热效率和喘振裕度优于原机时，综合考虑燃油消耗率和推进特性重新选取动力涡轮喷嘴环当量直径为44-54mm。

根据图8和图9，当动力涡轮喷嘴环当量直径为52mm时，50%工况下燃油消耗率为173.73g/（kW·h），相比于原机的168.62g/（kW·h）升高了3.03%，75%工况下燃油消耗率为173.22g/（kW·h），相比于原机的167.84g/（kW·h）升高了3.20%，燃油消耗率的变化量高于3%的限制值。当动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm时，柴油机从100%工况到50%工况的燃油消耗率较原机分别升高2.09%、1.73%、2.87%、2.63%，柴油机功率较原机分别降低2.05%、1.69%、2.79%、2.67%，变化率均低于3%的限制值。结合图11可知，动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm时，100%工况下系统功率为6698.42kW，较最优点的6701.52kW相比下降很小，柴油机功率由最优点的6242.81kW升高到6270.84kW，燃油消耗率由176.02g/（kW·h）降低到175.23g/（kW·h），推进特性和经济型均得到了改善。85%工况下系统功率为5534.11kW，较最优点的5534.92kW相比基本不变，柴油机功率由最优点的5212.54kW升高到5222.37kW，燃油消耗率由170.22g/（kW·h）降低到169.90g/（kW·h），推进特性和经济型均得到了改善。综上所述，选取动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm，在中高工况下，船舶柴油机复合动力涡轮具有可行性。

2.5 复合动力涡轮系统性能分析

当动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm时，柴油机复合动力涡轮系统性能及排气余热回收效果如表3所示。

原机在未加入动力涡轮时，各个工况下旁通3%的废气，复合动力涡轮后各个工况下旁通量如表3所示，旁通废气驱动动力涡轮可对排气能量进行回收。100%工况时，动力涡轮回收的功率为427.58kW，占原机的6.68%，动力涡轮回收比最大，复合系统的功率为6698.42kW，比原机增加了4.62%，85%工况的经济性最好，50%工况下动力涡轮回收的能量最少。所以，对于此低速二冲程柴油机，在50%及50%以上工况切入动力涡轮，可实现柴油机复合动力涡轮系统对柴油机排气余热的回收。

3  结论

本文对某低速二冲程柴油机复合动力涡轮进行了仿真计算，综合考虑各个工况下燃油消耗率、柴油机功率、动力涡轮功率、系统总功率、系统热效率、压气机喘振裕度，匹配的动力涡轮效率为0.79，动力涡轮喷嘴环当量直径为50mm。此时，额定工况下，旁通14.00%的废气，动力涡轮回收的功率为427.58kW，占原机的6.68%，动力涡轮回收比最大，复合系统的功率为6698.45kW，比原机增加了4.62%。50%工况下，复合动力涡轮系统的总功率较原机提升2.05%，75%工况到100%工况，系统的总功率较原机有明显提高。在保证柴油机稳定运行的基础上，利用动力涡轮可回收部分排气余热，输出较多功率。

参考文献：

[1]SHU G Q，LIANG Y C ，WEI H，et al. A review of waste heat recovery on two-stroke IC engine aboard ships [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2013，19（1）： 385-401.

[2]梁傲.大型集装箱船余热回收系统仿真研究[D].湖北：武汉理工大学，2017.

[3]馮金勇.船舶柴油机总能分级利用优化匹配技术研究[D].北京：中国舰船研究院，2017.

[4]周松，王银燕.内燃机工作过程仿真技术[M].北京航空航天大学出版社，2012.

[5]黄秋萍.涡轮复合柴油机工作过程仿真及动力涡轮流场分析[D].山西：中北大学，2015.